一.谐波概述：
(一)谐波定义：
供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅里叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到很多大于电网基波频率的分量，这部分电量称之为谐波。谐波频率和正常的基波频率比值(n=fn/fl)称为谐波次数。谐波实际上是一种干扰量，使电网受到污染。现在技术领域主要研究谐波的发生、传输、测量、危害、抑制及滤除，其频率范围一般为2≤n≤50(我国电源频率为50hz-60hz)
(二)谐波产生的原因：
工矿企业供配电系统中的高次谐波除来自外部电网(称为背景谐波，以电压的形式存在)，谐波产生的主要原因是由于非线性负载所致，如市政给排水工程中拖动风机、水泵以及搅拌器的交流变频装置和直流传动装置，这些装置都是利用电力半导体技术将工频正弦波通过整流、斩波和逆变等措施，变成直流或频率可调的交流电。当电流经负载时与所加的电压不呈线性关系就形成非正弦电流，既有谐波电流产生。
(三)谐波源：
向公用电网注入谐波电流或在公用电网上产生谐波电压的电气设备称为谐波源。具有非线性特性的电气设备是主要的谐波源，例如：
1.电弧炼钢炉2.整流器及整流设备
3.焊机设备4.电子控制照明装置(如调光电子荧光镇流器)
5.UPS电源系统6.风机或水泵的变频调速装置
7.高层电梯8.TV影视设备、TV影视监视设备
9.磁饱和稳压装置10.计算机、打印机、复印机、变频冰箱等。我们企业越来越多的使用产生谐波的电气设备，如：交流变频装置、轧钢机直流传动设备，晶闸管串接调速的风机水泵等，这些设备受用的电流是非正弦形的，其谐波分量使系统正弦电压产生畸变。谐波电流的量取决于谐波源设备本身的特性及工作状态况，而与电网参数无关，所以可视为恒流源。各种晶闸管电路产生的谐波次数和其电路形式有关，称为该电路的特性谐波。对称三相变流电路的网侧特征谐波次数为：PN±1(正整数)。式中P为一个电网周期内脉冲触发次数，除特征谐波外，在三相电压不平衡，触发脉冲不对称或非稳定工作状态下，上述电路还会产生非特征谐波。进行谐波分析和计算最有意义的是特征谐波，当电网接有多个谐波源时，由于各谐波源的同次谐波电流分量的相位不同，其和将小于各分量的算术和。变压器激磁电流中含有3、5、7、9等各次谐波分量，由于变压器的原副边绕组中总有一组为角形接法，为3次谐波提供了通路，所以3次谐波电流一般情况下不会流入电网。
(四)谐波的含量及危害：
由于谐波的产生将改变电源原由50Hz-60Hz的电压性质，从而产生附加的谐波损耗，使变配电和用电设备效率降低，加速电缆绝缘老化而使其容易被击穿，影响自动化装置动作的准确性，对通讯线路和控制信号造成电磁及射频干扰等。
按有关规定，谐波的含量大于15%为严重污染电力网，在这种情况下一般电器都无法正常工作，这就必须采取谐波治理措施;电力网谐波含量在8%-10%为中度污染，这时一般用电设备还可以工作，但对于特殊用电设备就不能正常工作了，如无功补偿装置就是此种情况，我们向电力网投切的一般电力电容器没有抗谐波功能，如果此时电力网谐波含量在8%-10%以上投入电力电容，那么电力电容将在谐波的作用下发生谐振，并在电容内部产生数倍于额定电流的谐振电流，于是就会发生无功补偿装置在运行很短的时间内电力电容器就被击穿而失去电容容量，谐波的干扰也将使无功补偿装置中的小型断路器(熔断器)、接触器(复合开关)、热继电器等电器保护元件过热、失灵、熔焊、误动作、接地保护装置功能失常，由于谐波源的存在而且需要无功补偿时，普通补偿装置将难以正常工作，这时就必须采取先治理后补偿的新方案。
二、谐波治理：
为了能把谐波对电力系统的干扰限制在系统可以接受的范围内，我国颁布了电力系统谐波管理暂时规定(SD123-84、GB/T14549-93)和IEC标准，明确了各种谐波源产生谐波的极限值。
电力系统治理谐波的主要措施有：
(一)装设由电感、电容及电阻组成的单调谐滤波器和高通滤波器。单调谐滤波器是针对某个特定次数的谐波而设计的滤波器，高通滤波器是为了吸收若干较高次谐波的滤波器。
(二)增加整流相数。高次谐波电流与整流相数密切相关，相数增多，高次谐波的最低次数变高，谐波电流幅值变小。一般可控硅整流装置多为6相，为了降低高次谐波电流，可以改为12相、24相或48相。当采用12相整流时，高次谐波电流只约占全电流的10%左右，危害性大大降低了。
(三)在补偿电容器回路中串联一组电抗器，如果对应某次谐波有Xln-Xcn=0即产生谐波，其谐波电流、电压都趋于无穷大。为了摆脱这一谐振点，通常在电容器(选电压等级有要求)支路串接电抗器，其感抗值的选择应使在可能产生的任何谐波下，均使电容器回路的总电抗为感抗而不是容抗，从根本上消除了产生谐波的可能性。
(四)当两台以上整流变压器由同一段母线供电时，可将整流变压器一次侧绕组分别交替接成△形和Y形，这就可使5次、7次谐波相互抵消，而只需要考虑11次、13次谐波的影响，由于频率高，波幅值小，所以危害性将大大减小。
三、滤波治理补偿方案：
(一)方案一：有源滤波治理补偿方案(见图一)
在产生谐波源与无功补偿装置间装设滤波装置。
(图一)
采用有源滤波治理补偿方案，首先要求分析：
1.负载设备(谐波源设备)注入电网的谐波含量，有针对性的来采取措施。
2.滤波器一般有单相滤波器和三相滤波器，对单相非线性负载产生的谐波可以采用(THF)，三相非线性负载产生的谐波采用PQFA/PQFL动态滤波器。
此方案用于产生谐波源的设备功率较小的情况下较为理想，其依靠电力电子装置在检测到系统谐波的产生一组和系统幅值相等，相位相反的谐波向量，这样可以抵消掉系统谐波，使其成为正谐波，不仅可滤除谐波还可以无功补偿。其优点是滤除谐波较为干净。其方案在精密仪器、通讯、国防等重点设备的谐波治理补偿效果较好，但其缺点是容量小，制造成本很高，国内生产成熟有源滤波装置的厂家较少，所以现在没有得到广泛应用。
(二)方案二：无源滤波治理补偿方案(见图二)
(图二)
无源滤波治理补偿方案：由多个单调谐LC滤波器组成，当需要无功补偿的同时也通过补偿控制器(JKG-PX)的TMS芯片处理，指令投切某次调谐LC滤波回路中的电容器，这样既可以滤波也可以无功补偿。
此方案对产生较大谐波含量的电气设备使用较好。其通过电感和电容的匹配对某次谐波并联低阻(调谐滤波)状态，给某次谐波电流构成一个低阻态通路，这样谐波电流在一般情况下就不会流入系统。其可根据奇次波的谐振次数，做不同回路的滤波补偿，其方案在大型冶炼、矿业以及其他含有较高谐波源的高耗能场合应用较好。但缺点是滤除谐波不够彻底而且其自身消耗电能较大(见方案二和方案四的节能对比)，此方案不易用于小功率设备的滤波补偿。
(三)方案三：有源滤波和无源滤波相结合的滤波补偿方案(混合型滤波补偿方案)：(见图三)混合式滤波补偿方案是通过在无功补偿和滤波支路中串接小容量的有源电力滤波器的方法，改善无源滤波器的滤波性能，提高系统整体的抗谐振及治理谐波的能力，可用于电弧炉，轧机、电气化铁路等。此方案需要较多能源消耗，目前应用案例不是太多。
(图三)
(四)方案四：创新式滤波治理补偿方案(见图四)
此方案主要由削峰扼流器和消谐器匹配使用，组成滤波电路，来达到抑制、消除谐波并进行无功补偿的方式。其特有的技术原理，不需要调谐振频率，对每次谐波进行抑制、滤除，并进行无功补偿。
近几年来，此方案大量用于中、轻度谐波污染的市政污水及给水工程(主要谐波源为变频器)，治理补偿效果非常好。其优点是滤波效果好、安装空间小，并且非常节能。
除市政工程外，在其他行业应用，效果也非常理想，如纺织行业(主要谐波源为变频器)，化工行业(主要谐波源为变频器)，商场(主要谐波源为整流器)，机械冶金制造企业等(主要谐波源为氩弧焊机及中高频电炉)。但缺点是不宜在大型冶炼行业使用。
(图四)
工作原理：
1.采用削峰技术：
①阻抗电容器投切时的浪涌电流
②抑制谐振电流
③阻抗抑制非正常基波电流放大，即避免谐振。
2.采用感抗滤波及差模法，对谐波周角360°的相位角120°(3相*120°)进行抵消。
四、部分方案节能对比：(方案二与方案四的节能对比)
在补偿电路中，以系统电压0.4kV为例，若电力电容投切容量为30kvar，以每小时计算，方案二的滤波电抗器消耗功率为：
(电抗器使用在0.4kV电路中，一般压降在3V以上，以最低3V计算)每路每小时消耗的功率为：
P=3×3V×30kVar×1/(√3×0.4)×1H=388.8W
方案三的削峰扼流器在同等情况下消耗功率为：
(削峰扼流器使用在0.4kV电路中，一般压降在0.02V以下，以最高0.02V计算)每路每小时消耗的功率为：
P=3×0.02V×30kVar×1/(√3×0.4)×1H=2.6W
经过上述对比，可以明显看出，使用方案四是相当节能的。
五、部分方案应用案例：
(一)案例一：
宁波某线缆企业(主要谐波污染源为变频设备)变压器容量为1250kVA，进行集中无功补偿(见图五)，总容量为(20x25kvar)500kvar，当补偿装置投运后分支路电容器组的熔断器经常熔断，三个月后发现电力电容器漏油，鼓肚皮，容量下降，三相严重不平衡。经现场勘察后发现当投入一组电容器25kvar有效电流读数值是56.16A，其相当于额定电流的1.56倍，而根据IEC831-1(低压电容器标准)，电力电容器的容许电流是额定电流的1.3倍，所以说熔断器、电容器损坏的根本原因是谐振过流所导致的。此时企业分析所致原因，为了不造成电力事故，不得不关停补偿装置，选择新的治理补偿方案(图六)。在选用新的治理补偿方案后其每组电容器投切电流为36A-36.5A,由此说明已经恢复成正常基波电流。
老方案，新方案经谐波检测仪(RH-801)测量谐波含量结果如下：
老方案图(五)测量数据：
HRUn(%)35791113
A0.36.41.90.14.20.1
B0.46.41.80.14.20.5
C0.36.82.00.14.50.2
新方案图(六)测量数据：信息来自:输配电设备网
HRUn(%)35791113
A0.31.51.00.11.30.1
B0.31.01.10.11.10.1
C0.31.51.00.11.10.2
案例一从2007年7月改造至今已有2年多时间过去了，谐波问题得到有效解决,无功补偿装置投切正常，功率因数达到95%左右。
(二)案例二
青岛XX集团水务工程公司在山东地区做污水处理项目较多，以前全部采用的是普通方案(图七)，由于忽视了谐波(变频器)问题的存在，无功补偿装置投用时间不长，经常发生不能正常投切的问题，如有电器元件经常烧毁事件，电容器易损坏，鼓肚子，漏油，以及常出现投切过电流现象。这些问题的出现常困扰着集团公司的电气技术人员。后来在新建的滕州第二污水处理厂项目中，应用新的滤波补偿方案(图八)，从投用到现在已经快2年了，投运很正常。
目前新的滤波补偿方案(图八)在较多的市政给水、排水、污水治理工程上应用较为广泛。
结束语：
谐波是引起电能质量问题的最重要因素，要想治理谐波问题又能挖掘电力潜力，就必须设计滤波补偿方案;不同的谐波治理方案的应用场合以及治理效果不尽相同，所需要的费用差异也较大，所以，必须根据配电系统的实际情况，合理选择投资少、治理效果好的方案。选用正确的谐波治理补偿方案，不仅治理了电网的谐波问题，同时也提高了电能质量，减少了电费的支出，应用正确的谐波治理补偿方案，对提高无功补偿质量，净化电网环境有着重要意义。